Les ingénieurs du MIT ont développé un patch flexible d'administration de médicaments qui peut être placé sur le cœur après une crise cardiaque pour favoriser la guérison et la régénération du tissu cardiaque.
Le nouveau patch est conçu pour contenir plusieurs médicaments différents qui peuvent être libérés à différents moments, selon un calendrier préprogrammé. Dans une étude sur des rats, les chercheurs ont montré que ce traitement réduisait de 50 pour cent la quantité de tissu cardiaque endommagé et améliorait considérablement la fonction cardiaque.
S'il est approuvé pour une utilisation chez l'homme, ce type de patch pourrait aider les victimes d'une crise cardiaque à récupérer une plus grande partie de leur fonction cardiaque qu'il n'est actuellement possible, affirment les chercheurs.
Lorsqu’une personne subit une crise cardiaque majeure, le tissu cardiaque endommagé ne se régénère pas efficacement, entraînant une perte permanente de la fonction cardiaque. Le tissu endommagé ne récupère pas. Notre objectif est de restaurer cette fonction et d'aider les gens à retrouver un cœur plus fort et plus résilient après un infarctus du myocarde. »
Ana Jaklenec, chercheuse principale à l'Institut Koch du MIT pour la recherche intégrative sur le cancer
Jaklenec et Robert Langer, professeur à l'Institut David H. Koch au MIT et membre de l'Institut Koch, sont les auteurs principaux de la nouvelle étude, qui paraît aujourd'hui dans Biomatériaux cellulaires. Erika Wang, ancienne postdoctorante du MIT, est l'auteur principal de l'article.
Administration programmée de médicaments
Après une crise cardiaque, de nombreux patients finissent par subir un pontage, ce qui améliore le flux sanguin vers le cœur mais ne répare pas le tissu cardiaque endommagé. Dans la nouvelle étude, l’équipe du MIT souhaitait créer un patch pouvant être appliqué sur le cœur en même temps que l’opération chirurgicale.
Ce patch, espéraient-ils, pourrait administrer des médicaments sur une période prolongée pour favoriser la cicatrisation des tissus. De nombreuses maladies, notamment les maladies cardiaques, nécessitent un traitement spécifique à chaque phase, mais la plupart des systèmes délivrent des médicaments en une seule fois. L'administration programmée synchronise mieux la thérapie avec la récupération.
« Nous voulions voir s'il était possible de réaliser une intervention thérapeutique précisément orchestrée pour aider à guérir le cœur, directement sur le site de la lésion, alors que le chirurgien pratique déjà une opération à cœur ouvert », explique Jaklenec.
Pour y parvenir, les chercheurs ont décidé d'adapter les microparticules d'administration de médicaments qu'ils avaient précédemment développées, qui sont constituées de capsules semblables à de minuscules tasses à café avec couvercles. Ces capsules sont fabriquées à partir d’un polymère appelé PLGA et peuvent être scellées avec un médicament à l’intérieur.
En modifiant le poids moléculaire des polymères utilisés pour former les couvercles, les chercheurs peuvent contrôler la rapidité avec laquelle ils se dégradent, ce qui leur permet de programmer les particules pour qu'elles libèrent leur contenu à des moments précis. Pour cette application, les chercheurs ont conçu des particules qui se décomposent pendant les jours 1 à 3, les jours 7 à 9 et les jours 12 à 14 après l'implantation.
Cela leur a permis de concevoir un régime composé de trois médicaments qui favorisent la guérison cardiaque de différentes manières. Le premier ensemble de particules libère la neuréguline-1, un facteur de croissance qui aide à prévenir la mort cellulaire. Au moment suivant, les particules libèrent du VEGF, un facteur de croissance qui favorise la formation de vaisseaux sanguins entourant le cœur. Le dernier lot de particules libère une petite molécule médicamenteuse appelée GW788388, qui inhibe la formation de tissu cicatriciel pouvant survenir à la suite d’une crise cardiaque.
« Lorsque les tissus se régénèrent, ils suivent une série d'étapes soigneusement chronométrées », explique Jaklenec. « Le Dr Wang a créé un système qui fournit des composants clés au bon moment, dans l'ordre que le corps utilise naturellement pour guérir. »
Les chercheurs ont incorporé des rangées de ces particules dans de fines feuilles d’hydrogel résistant mais flexible, semblable à une lentille de contact. Cet hydrogel est composé d'alginate et de PEGDA, deux polymères biocompatibles qui finissent par se décomposer dans l'organisme. Pour cette étude, les chercheurs ont créé des patchs compacts et miniatures de seulement quelques millimètres de diamètre.
« Nous encapsulons des séries de ces particules dans un patch d'hydrogel, puis nous pouvons implanter chirurgicalement ce patch dans le cœur. De cette façon, nous programmons réellement le traitement dans ce matériau », explique Wang.
Meilleure fonction cardiaque
Une fois ces patchs créés, les chercheurs les ont testés sur des sphères de tissu cardiaque comprenant des cardiomyocytes générés à partir de cellules souches pluripotentes induites. Ces sphères comprenaient également des cellules endothéliales et des fibroblastes cardiaques ventriculaires humains, qui sont également des composants importants du cœur.
Les chercheurs ont exposé ces sphères à des conditions de faible teneur en oxygène, imitant les effets d’une crise cardiaque, puis ont placé les patchs dessus. Ils ont découvert que les patchs favorisaient la croissance des vaisseaux sanguins, aidaient davantage de cellules à survivre et réduisaient la quantité de fibrose développée.
Lors de tests sur un modèle de crise cardiaque chez le rat, les chercheurs ont également constaté des améliorations significatives après le traitement avec le patch. Comparés à l'absence de traitement ou à l'injection IV des mêmes médicaments, les animaux traités avec le patch ont montré des taux de survie 33 pour cent plus élevés, une réduction de 50 pour cent de la quantité de tissus endommagés et un débit cardiaque considérablement augmenté.
Les chercheurs ont montré que les patchs finiraient par se dissoudre avec le temps, devenant une couche très fine au cours d'une année sans perturber la fonction mécanique du cœur.
« Il s'agit d'un moyen important de combiner l'administration de médicaments et les biomatériaux pour créer de nouveaux traitements potentiels pour les patients », explique Langer.
Parmi les médicaments testés dans cette étude, la neuréguline-1 et le VEGF ont été testés dans des essais cliniques pour traiter les maladies cardiaques, mais le GW788388 n'a été exploré que sur des modèles animaux. Les chercheurs espèrent maintenant tester leurs patchs sur d’autres modèles animaux dans l’espoir de mener un essai clinique à l’avenir.
La version actuelle du patch doit être implantée chirurgicalement, mais les chercheurs explorent la possibilité d'incorporer ces microparticules dans des stents qui pourraient être insérés dans les artères pour administrer des médicaments selon un calendrier programmé.
Les autres auteurs de l'article incluent Elizabeth Calle, Binbin Ying, Behnaz Eshaghi, Linzixuan Zhang, Xin Yang, Stacey Qiaohui Lin, Jooli Han, Alanna Backx, Yuting Huang, Sevinj Mursalova, Chuhan Joyce Qi et Yi Liu.
Les chercheurs ont été soutenus par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et le National Heart, Lung, and Blood Institute des États-Unis.
